JP6297294B2 - 排出ガス流れに液体を噴射するための装置および排出ガス後処理システム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段による排出ガス流れに液体を噴射するための装置、および請求項８の前段による排出ガス後処理システムを対象としている。

使用される燃料、すなわち重油が高い硫黄含有量を有することは、重油によって作動する内燃エンジンの特徴である。硫黄酸化物は排出ガスの他の成分と反応する可能性があり、排出ガスクリーナの効率を損なう堆積物の原因となる。

排出ガスターボチャージャおよび排出ガスクリーナを備えた内燃エンジンは特許文献１から知られている。排出ガスターボチャージャは１ステージ排出ガスターボチャージャとして、または２ステージ排出ガスターボチャージャとして構成される。排出ガスクリーナはＳＣＲ触媒を含み、１ステージ排出ガスターボチャージャにおいては、ＳＣＲ触媒は排出ガスターボチャージャのタービンの下流、または排出ガスターボチャージャのタービンの上流に配置される。２ステージ排出ガスターボチャージャに関しては、ＳＣＲ触媒は高圧排出ガスターボチャージャの高圧タービンと低圧排出ガスターボチャージャの低圧タービンとの間に配置される。

ＳＣＲ触媒は還元剤としてアンモニアを使用する。従来技術から知られた排出ガス後処理システムにおいては、水性尿素溶液がＳＣＲ触媒の上流の排出ガス内に噴射され、この尿素溶液は排出ガス流れ内において分解されて気化され、水蒸気、二酸化炭素、およびアンモニアを形成する。

尿素溶液は霧化ノズルによって好適に排出ガス内に導入され、霧化ノズルは一流体ノズルまたは二流体ノズルとして構成されることが可能である。特許文献２は二流体ノズルとして設計された霧化ノズルを開示しており、このノズルは、圧縮空気を利用して排出ガス後処理システムの排出ガス流れ内への液体の導入に寄与している。排出ガス流れ内で霧化される液体と圧縮空気とは、二流体ノズルを出る際に最初に直接混合され、霧化される液体と圧縮空気とは二流体ノズル内に別々にガイドされている。

独国特許出願公開第１０ ２００４ ０２７ ５９３号明細書 独国特許出願公開第１０ ２００９ ００５ ５２８号明細書

この背景に対して、本発明の目的は、排出ガス流れ内に液体を噴射するための新規な装置を提供すること、および排出ガス後処理システムを提供することである。

この目的は請求項１による装置によって達成される。本発明によれば、１つの霧化ノズルまたは各霧化ノズルは旋回部品として形成されたノズルベースボディと、ノズルエアキャップと、ノズルインサートと、を具備し、個々の霧化ノズルはノズルベースボディを通じてノズルランスに接続されることが可能であり、ノズルエアキャップとノズルインサートとはノズルベースボディ内に受容され且つ保持されている。本発明による装置の１つの霧化ノズルまたは各霧化ノズルは、単純な様式において構成されている。１つの霧化ノズルまたは各霧化ノズルは３つの旋回部品、すなわちノズルベースボディと、ノズルエアキャップと、ノズルインサートと、で間に合わせており、１つの霧化ノズルまたは各霧化ノズル、それ故本発明によるデバイスの生産コストは最小化されることが可能である。個々の霧化ノズルのノズルベースボディは個々の霧化ノズルをノズルランスに接続することに寄与し、ノズルランスは霧化される液体および圧縮空気を個々の霧化ノズルの方向に別々に供給することに寄与している。ノズルエアキャップとノズルインサートとはノズルベースボディ内に受容され且つ保持され、霧化される液体および圧縮空気を別々にガイドし、霧化される液体は圧縮空気と個々の霧化ノズルから出る際に最初に直接混合されるか、または霧化ノズルから出た後に混合される。

個々の霧化ノズルのノズルベースボディは好適にノズルランスの接続のための第１部分を備え、ノズルランス内において対応したラインと連通した、液体のための中央供給ボアおよび圧縮空気のための複数の、すなわち第１の量の側方供給ボアは、ノズルベースボディのこの第１部分において形成されている。さらに、個々の霧化ノズルのノズルベースボディは、ノズルエアキャップとノズルインサートとを受容するための第２部分を備え、液体のための中央供給ボアと連通した、液体のための中央放出ボアと、圧縮空気のための側方供給ボアと連通した、圧縮空気のための複数の、すなわち第２の量の側方放出ボアと、はノズルベースボディのこの第２部分において形成されており、圧縮空気のための側方放出ボアの第２の量は、圧縮空気のための側方供給ボアの第１の量よりも大きい。１つの霧化ノズルまたは各霧化ノズルのこの構成は、圧縮空気による個々の霧化ノズルの効果的な冷却を確実にしており、個々の霧化ノズルの過熱が防止されることが可能である。

ノズルインサートは好適にノズルベースボディの中央液体放出ボアと連通した液体流れ構造を形成し、ノズルエアキャップはノズルインサートを部分的に同軸に取り囲み、ノズルベースボディの側方圧縮空気放出ボアと連通した圧縮空気流れ構造を形成している。このことは、ノズルエアキャップとノズルインサートとが特に単純な様式においてノズルベースボディに接続されることを可能にしている。

さらなる有利な改良によれば、ノズルインサートは流出側端部においてノズルエアキャップを越えて突出しており、圧縮空気のための流出開口部は、液体の流れ方向から見て、液体のための流出開口部の上流に位置している。ノズルインサートは好適に複数の渦スロットを備え、渦スロットはその周方向に傾斜されており、スロットを通じて圧縮空気はガイドされ且つ捩じるように加速されることが可能である。

これらの２つの特徴、すなわちノズルエアキャップを越えたノズルインサートの突出およびノズルインサート内の渦スロットは、好適に組み合わせて用いられ、排出ガス流れ内において低圧の圧縮空気を必要として霧化される液体の微細な霧化を確実にしている。動作コストは、圧縮空気の必要性を減少することを通じて減少されることが可能である。

排出ガス後処理システムは請求項８に規定されている。

本発明の好適なさらなる改良は、従属請求項および以下の記載に示されている。本発明の実施形態の例は、図を参照して、これらの実施形態の例に限定されることなくより完全に記載されている。図は以下のものを示している。

装置の霧化ノズルの領域における、液体を排出ガス流れ内に噴射するための、本発明による装置の断面を示した図である。 霧化ノズルのノズルベースボディの異なった視点における図である。 霧化ノズルのノズルベースボディの異なった視点における図である。 霧化ノズルのノズルエアキャップの異なった視点における図である。 霧化ノズルのノズルエアキャップの異なった視点における図である。 霧化ノズルのノズルインサートの異なった視点における図である。 霧化ノズルのノズルインサートの異なった視点における図である。 霧化ノズルのノズルインサートの異なった視点における図である。

本発明は排出ガス流れ内に液体を噴射するための装置、すなわち排出ガス後処理システム内にガイドされる排出ガス流れ内の水性尿素溶液を霧化するための装置を対象としている。本発明はさらに、排出ガス後処理システムを対象としている。

排出ガス流れ内において装置を利用して霧化された尿素溶液は排出ガス流れ内において分解され、水蒸気、二酸化炭素、およびアンモニア蒸気を形成する。アンモニアは排出ガス後処理システムのＳＣＲ触媒内において還元剤として使用される。したがって、装置は排出ガスの流れの方向において考慮されたＳＣＲ触媒の上流で、排出ガス流れ内に尿素溶液を吹き込む。

図１は本発明による、排出ガス流れ内への液体、すなわち水性尿素溶液の噴射、すなわち霧化のための装置の、霧化ノズル１０の領域の断面を示した図であり、このノズルは二流体ノズルとして形成され、ノズルランス１１に接続されている。

霧化される液体および排出ガス流れ内の液体を霧化するために供給される圧縮空気は、２つのノズル構成部品として形成された霧化ノズル１０内に別々にガイドされており、二流体ノズルから出る際に最初に直接混合されるか、または出た後に混合される。したがって、圧縮空気と霧化される液体との混合は、霧化ノズル１０の外側で実行されている。

複数の霧化ノズル１０がノズルランス１１に接続可能であり、その場合、液体は各霧化ノズル１０を介して排出ガス流れ内に導入されることが可能であることが理解される。

図１に示された霧化ノズル１０は３つの旋回部品、すなわちノズルベースボディ１２、ノズルエアキャップ１３、およびノズルインサート１４を具備している。ノズルベースボディ１２は、一方では霧化ノズル１０をノズルランス１１に接続することに、他方ではノズルエアキャップ１３とノズルインサート１４とを受容することに寄与している。

異なった視点の図２ａおよび図２ｂに示された霧化ノズル１０のノズルベースボディ１２は、ノズルベースボディ１２をノズルランス１１に接続するための第１部分１５を備えている。霧化される液体のための中央供給ボア１６および圧縮空気のための複数の、すなわち第１の量Ｎ１の側方供給ボア１７はノズルベースボディ１２のこの第１部分１５において形成されている。

図２ａおよび図２ｂに示された実施形態の例においては、圧縮空気のための２つの側方供給ボア１７がノズルベースボディ１２の第１部分１５において形成されており、これら２つの側方供給ボア１７は液体のための単一の中央供給ボア１６に関して径方向において正反対に配置されている。

霧化ノズル１０のノズルベースボディ１２は円周ショルダ１８によってノズルランス１１に固定され、円周ショルダ１８は第１部分１５の領域内において外面に形成されている。霧化ノズル１０のノズルベースボディ１２はノズルランス１１に接続されており、液体のためのノズルランス１１の流れチャネル１９は液体のためのノズルベースボディ１２の中央供給ボア１６と連通している。さらに、圧縮空気のためのノズルランス１１の流れチャネル２０は、この状態において圧縮空気のためのノズルベースボディ１２の側方供給ボア１７と連通している。

ノズルベースボディ１２は第１部分１５によってノズルランス１１に接続されることが可能であり、それに加えて、霧化ノズル１０のノズルベースボディ１２は第２部分２１も備えており、第２部分２１はノズルエアキャップ１３とノズルインサート１４との受容に寄与している。凹部２２がノズルベースボディ１２の第２部分２１に形成されており、ノズルエアキャップ１３とノズルインサート１４とはこの凹部２２内に部分的に挿入されて、ノズルベースボディ１２に固定され且つ保持されることが可能である。

霧化される液体は、霧化される液体のための中央放出ボア２３を通じてノズルベースボディ１２から放出され且つノズルインサート１４に供給され、中央放出ボア２３はこの凹部２２の領域内に形成されている。図示された実施形態の例においては、液体のためのこの中央放出ボア２３は、斜めに伸びた接続ボア２４を通じて液体のための中央供給ボア１６と連通している。

さらに（図２ａに見られているように）、圧縮空気のための複数の、すなわち第２の量Ｎ２の側方放出ボア２５がノズルエアキャップ１３とノズルインサート１４とのための凹部２２の領域内に形成されている。これらの側方放出ボア２５は、霧化される液体のための中央放出ボア２３の周りに周方向に配列されている。圧縮空気のための側方放出ボア２５は圧縮空気のための側方供給ボア１７と連通しており、側方供給ボア１７を通じてノズルベースボディ１２に供給された圧縮空気は、側方放出ボア２５を通じてノズルベースボディ１２から放出され、ノズルエアキャップ１３およびノズルインサート１４の方向にガイドされることが可能である。

圧縮空気のための側方放出ボア２５の第２の量Ｎ２は、好適に圧縮空気のための側方供給ボア１７の第１の量Ｎ１よりも大きい。図示された実施形態の例においては、圧縮空気のための側方放出ボア２５の第２の量Ｎ２は、圧縮空気のための側方供給ボア１７の第１の量Ｎ１の２倍に一致している。図示された実施形態の例においては、圧縮空気のための４つの側方放出ボア２５と圧縮空気のための２つの側方供給ボア１７とがノズルベースボディ１２に形成されている。圧縮空気のための側方供給ボア１７は１つごとに圧縮空気のための２つの側方放出ボア２５と連通している。

圧縮空気をガイドするノズルベースボディ１２内の上述の形態のボア１７および２５は、圧縮空気を利用して霧化ノズル１０の効率的な冷却を可能にしており、霧化ノズル１０の過熱を回避している。

すでに述べられた通り、ノズルインサート１４とノズルエアキャップ１３とは、ノズルベースボディ１２の第２部分２１において凹部２２内に受容され且つ保持されている。図１において最もよく見られているように、ノズルインサート１４は霧化される液体のための液体流れ構造２６を形成し、この構造は液体のためのノズルベースボディ１２の中央放出ボア２３と連通している。

霧化ノズル１０が組み立てられた状態においては、ノズルエアキャップ１３はノズルインサート１４を部分的に且つ同軸に取り囲み、ノズルインサート１４とノズルエアキャップ１３との間に圧縮空気流れ構造２７を形成している。ノズルインサート１４は径方向内側に圧縮空気流れ構造２７を形成しており、ノズルエアキャップ１３は径方向外側に圧縮空気流れ構造２７を形成している。圧縮空気流れ構造２７は圧縮空気のためのノズルベースボディ１２の側方放出ボア２５と連通している。

霧化ノズル１０の流出側端部２８の領域において、ノズルエアキャップ１３とノズルインサート１４とは圧縮空気のための流出開口部２９としての環状ギャップを形成している。この環状ギャップは霧化される液体のための流出開口部３０を同軸に取り囲み、流出開口部３０はノズルインサート１４によって形成されている。

圧縮空気のための流出開口部２９は、霧化される液体の流れ方向を考慮した、霧化される液体のための流出開口部３０の上流に配置されている。したがって、霧化される液体のための、流出開口部３０を備えた霧化ノズル１０の流出端部２８において、ノズルインサート１４はノズルエアキャップ１３、結果的に圧縮空気のための流出開口部２９を越えて突出している。このことは、特に排出ガス流れ内において霧化される液体の微細な霧化を可能にしている。

ノズルインサート１４は、流出開口部３０と共に霧化される液体のための液体流れ構造２６を形成したベースボディ３１を備えている。円周突起３２はこのベースボディ３１に形成されており、圧縮空気をガイドするための、周方向に傾斜した複数の渦スロットがこの突起３２に形成され、圧縮空気のねじりの加速を生じさせている。このことは排出ガス流れ内において霧化される液体の霧化をさらに高めている。

すでに述べられたように、ノズルエアキャップ１３は組み立てられた状態においてノズルインサート１４を部分的に同軸に取り囲んでいる。この目的のために、ノズルエアキャップ１３は中央凹部３４を備え、その内部にノズルインサート１４が突出し、ノズルインサート１４は流出側端部２８においてこの凹部３４から突出して圧縮空気のための流出開口部２９を形成しており、この流出開口部２９は環状ギャップとして形成されている。

ノズルエアキャップ１３の凹部３４の内部輪郭３５は、第１部分３６において円筒形輪郭を備え、第２部分３７において円錐台形輪郭を備えている。組み立てられた状態において、渦スロット３３を備えたノズルインサート１４の突起３２は、ノズルエアキャップ１３の凹部３４の内部輪郭３５の円筒形輪郭部３６に隣接している。

ノズルインサート１４は流出開口部３０の反対部において外側ネジ３８を備え、この外側ネジ３８を利用してノズルベースボディ１２にねじ込まれることが可能である。

ノズルエアキャップ１３は同様に流出側端部２８の反対部において外側ネジ３９を備えている。ノズルエアキャップ１３はこの外側ネジ３９によってノズルベースボディ１２にねじ込まれることが可能である。

ノズルインサート１４とノズルエアキャップ１３とが共に外側ネジ３８および３９によってノズルベースボディ１２の対応した内側ネジにねじ込まれた場合、ノズルベースボディ１２にねじ込まれた構成部品のアセンブリ、すなわちノズルエアキャップ１３とノズルインサート１４とはロックナット４０によってノズルベースボディ１２にさらに固定されることが可能であり、ロックナットは同様にノズルエアキャップ１３の外側ネジ３９と協働する。ロックナット４０は省略されてもよい。

霧化ノズル１０は小型の構造的外形を有し、３つのみの旋回部品のみで済んでいる。構成は単純である。これらの旋回部品は容易に組み立てられる。すでに述べられたように、霧化ノズル１０はノズルベースボディ１２を利用して容易にノズルランス１１に組み付けられることが可能である。

排出ガス流れ内の液体を霧化するための装置は、ノズルランス１１に係合された複数の霧化ノズル１０を備えることが可能である。採用される霧化ノズル１０の量は、排出ガス流れ内において霧化される液体、すなわち尿素溶液がどの程度の量であるかに依存している。複数の霧化ノズル１０がノズルランス１１に配列された場合、圧縮空気と霧化される液体との流れ方向を考慮した最後の霧化ノズル１０は、図示されたように形成されている。１つの霧化ノズル１０または各霧化ノズル１０は追加的に流れ方向を考慮したこの最後の霧化ノズル１０の前に配置され、中央放出ボア２３および側方放出ボア２５と連通したボアを備えている。それはいくらかの圧縮空気といくらかの霧化される液体とを方向転換させ、これらのボアと連通したノズルランス１１のチャネル１９、２０を通じて、その後に配置された１つの霧化ノズル１０または各霧化ノズル１０の方向にそれをガイドするためである。

１０ ・・・霧化ノズル
１１ ・・・ノズルランス
１２ ・・・ノズルベースボディ
１３ ・・・ノズルエアキャップ
１４ ・・・ノズルインサート
１５ ・・・第１部分
１６ ・・・中央供給ボア
１７ ・・・側方供給ボア
１８ ・・・ショルダ
１９ ・・・流体流れチャネル
２０ ・・・圧縮空気流れチャネル
２１ ・・・第２部分
２２ ・・・凹部
２３ ・・・中央放出ボア２３
２４ ・・・ボア
２５ ・・・側方放出ボア２５
２６ ・・・液体流れ構造
２７ ・・・圧縮空気流れ構造
２８ ・・・流出側端部
２９ ・・・流出開口部
３０ ・・・流出開口部
３１ ・・・ベースボディ
３２ ・・・突起
３３ ・・・渦スロット
３４ ・・・凹部
３５ ・・・内部輪郭
３６ ・・・第１部分
３７ ・・・第２部分
３８ ・・・外側ネジ
３９ ・・・外側ネジ
４０ ・・・ロックナット

Claims (10)

1. 液体を排出ガス流れ内に噴射するための装置であって、
   少なくとも１つの霧化ノズル（１０）を備え、該霧化ノズルは二流体ノズルとして設計され、前記液体は前記霧化ノズルを利用して、圧縮空気を利用して前記排出ガス流れ内に噴射され、前記液体は前記圧縮空気と個々の前記霧化ノズル（１０）からの出る際にその外側において最初に直接混合されるかまたは出た後にその外側において混合される装置において、
   前記１つの霧化ノズル（１０）または各霧化ノズル（１０）はネジ部品として形成されたノズルベースボディ（１２）と、ノズルエアキャップ（１３）と、ノズルインサート（１４）と、を具備し、
   個々の前記霧化ノズル（１０）は前記ノズルベースボディ（１２）を通じてノズルランス（１１）に接続されることが可能であり、前記ノズルエアキャップ（１３）と前記ノズルインサート（１４）とは前記ノズルベースボディ（１２）内に受容され且つ保持されており、
   個々の前記霧化ノズル（１０）のノズルベースボディ（１２）は前記ノズルランス（１１）の接続のための第１部分（１５）を備え、
   前記ノズルランス内において対応したライン（１９，２０）と連通した、前記液体のための中央供給ボア（１６）および圧縮空気のための複数の、すなわち第１の数の側方供給ボア（１７）は前記ノズルベースボディ（１２）のこの第１部分（１５）において形成され、
   個々の前記霧化ノズル（１０）の前記ノズルベースボディ（１２）は、前記ノズルエアキャップ（１３）と前記ノズルインサート（１４）とを受容するための第２部分（２１）を備え、
   前記液体のための前記中央供給ボア（１６）と連通した、前記液体のための中央放出ボア（２３）と、圧縮空気のための前記側方供給ボア（１７）と連通した、圧縮空気のための複数の、すなわち第２の数の側方放出ボア（２５）と、は前記ノズルベースボディ（１２）のこの第２部分（２１）において形成されており、
   圧縮空気のための前記側方放出ボア（２５）の第２の数は、圧縮空気のための前記側方供給ボア（１７）の第１の数よりも大きいことを特徴とする装置。
2. 前記液体は水性尿素溶液であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 圧縮空気のための前記ノズルベースボディ（１２）の前記側方放出ボア（２５）の第２の数は、圧縮空気のための前記ノズルベースボディ（１２）の前記側方供給ボア（１７）の第１の数の２倍に相当しており、圧縮空気のための各側方供給ボア（１７）は圧縮空気のための２つの前記側方放出ボア（２５）に連通していることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記ノズルインサート（１４）は液体のための前記ノズルベースボディ（１２）の前記中央放出ボア（２３）と連通した液体流れ構造（２６）を形成し、前記ノズルエアキャップ（１３）は前記ノズルインサート（１４）を部分的に同軸に取り囲み、圧縮空気のための前記ノズルベースボディ（１２）の前記側方放出ボア（２５）と連通した圧縮空気流れ構造（２７）を形成していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記ノズルインサート（１４）は円周突起（３２）において複数の渦スロット（３３）を備え、該渦スロットはその周方向に傾斜されており、該スロットを通じて前記圧縮空気はガイドされ且つ捩じるように加速されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記ノズルインサート（１４）は流出側端部（２８）において前記ノズルエアキャップ（１３）を越えて突出しており、前記圧縮空気のための流出開口部（２９）は、前記液体の流れ方向から見て、前記液体のための流出開口部（３０）の上流に位置していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 複数の前記霧化ノズル（１０）が前記ノズルランス（１１）に配列されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 内燃エンジンのための排出ガス後処理システムであって、
   アンモニアを還元剤として使用するＳＣＲ触媒を備え、
   液体をＳＣＲ触媒の上流において排出ガス流れ内に噴射するための装置を備えたシステムにおいて、
   前記液体を噴射するための装置は請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置によって構成されていることを特徴とするシステム。
9. 前記内燃エンジンは、重油を使用して作動する船舶のディーゼル内燃エンジンであることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 前記液体は水性尿素溶液であることを特徴とする請求項８または９に記載のシステム。

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